VLASTNOSTI VOZIDLOVÉHO ZÁŽEHOVÉHO MOTORU PŘI PROVOZU NA ALTERNATIVNÍ PALIVA CNG A LPG Prof. Ing. Stanislav Beroun, CSc., Ing. Josef Blažek, Ing. Radek Holubec, Ing. Jan Mareš, Ing. Marcel Vencl Technická univerzita v Liberci Česká republika Souhrn Článek obsahuje shrnutí výsledků výzkumných prací na moderním vozidlovém zážehovém (benzinovém) motoru při jeho konverzi na různopalivový motor s možností provozu buď na benzin nebo alternativní palivo (CNG nebo LPG). Provoz motoru na alternativní paliva byl realizován podobně jako provoz motoru na benzin s tvořením směsi vícebodovým přívodem paliva do sacího traktu motoru a elektronickou regulací bohatosti směsi a předstihu zážehu. Výzkumný program byl zaměřen jak na výkonové a emisní parametry motoru, tak na parametry pracovního oběhu motoru při provozu na benzin a na alternativní paliva. Měření byla prováděna na zkušebním stanovišti s automatizovaným sběrem dat všech měřených veličin. Použitá měřicí a výpočetní technika pro vysokotlakou indikaci umožňovala detailní studium průběhu vyhořívání náplně válce i vyhodnocení průběhu tlaku ve válci z hlediska mezicyklové variability. V případě LPG byla použita i vizualizační technika pro studium dějů v sacím traktu motoru při tvoření směsi vstřikováním kapalného LPG. Úvod Osobní automobily se zážehovými motory lze celkem jednoduše provozovat na alternativní plynná paliva NG nebo LPG. U moderních zážehových motorů je jejich úprava pro provoz na alternativní palivo řešena zástavbou vefukovačů (injektorů) plynného paliva do sacího traktu motoru (vnější tvoření směsi). Vícebodové vefukování plynného paliva je řízeno elektronickou jednotkou, napojenou na původní ERJ pro benzinový provoz. Přechod z automobilového benzinu na alternativní plynné palivo se u takto provedené úpravy motoru projeví u nepřeplňovaných motorů snížením výkonových parametrů motoru. Snížení výkonu je dáno větším objemem plynného paliva ve směsi (i proti zcela odpařenému benzinu) a do válce motoru je proto nasáté menší množství vzduchu. Poměrnou změnu hodnoty p e v režimu % zatížení po konverzi benzinového motoru (λ=1) na plynné alternativní palivo ukazuje zjednodušený vztah, odvozený za předpokladu stejných hodnot plnicích účinností i celkových účinností obou motorů:
p p e / plyn e / benz ( A r + r ) T T / benz air benz L / plyn DÚ / benz =. H ( AT / plyn rair + rplyn ) H L / benz TDÚ / plyn Teoretická spotřeba vzduchu je pro benzin AT / benz = 14, 5 kg/kg a pro plynná paliva je AT / LPG = 15,6 kg/kg a AT / NG = 16, 9 kg/kg. Plynová konstanta r je pro vzduch r air = 287 J/kgK, pro LPG je r LPG = 168 J/kg K a pro NG je rng = 516 J/kgK. Přehřáté páry benzinu mají plynovou konstantu r benz = 76 J/kgK. Dolní výhřevnost paliva H L paliv je pro benzin: H L / benz = 43 MJ/kg, pro LPG je H L / LPG = 46,1 MJ/kg a pro zemní plyn je H L / NG = 49 MJ/kg. Teplota náplně válce na konci plnění T : teplota v benzinovém motoru T DÚ DÚ / benz bude proti teplotě v plynových motorech T o (-15) C nižší v důsledku DÚ / LPG odpařování benzinu v nasávaném vzduchu (odhad: T 335 K, T DÚ / benz DÚ / i T LPG DÚ / NG 35 K). Výpočet s využitím uvedených hodnot dává poměrné snížení výkonu při náhradě benzinu plynným palivem, přiváděným do nasávaného vzduchu. Při provozu motoru na NG je pokles výkonových parametrů motoru proti provozu na pe / NG benzin relativně výrazný: =,85, 82. Při provozu na LPG se výkon motoru pe / benz pe / LPG proti provozu na benzin sníží v poměru =,93, 9. pe / benz V případě LPG lze úpravu benzinového motoru pro provoz na LPG provést ale i tak, že do sacího traktu motoru se vstřikuje kapalná fáze LPG. Účinkem intenzivního odpařování vstřikovaného LPG dojde k výraznějšímu snížení teploty nasávané směsi do motoru (tím zvýší se dopravní účinnost motoru) a změna výkonových parametrů je potom proti benzinovému provozu zanedbatelná. Palivové systémy pro LPG se vstřikováním kapalného paliva jsou však proti systémům s tvořením směsi plynnou fází LPG využívány v podstatně menších počtech. Vedle změny výkonových parametrů motoru se provoz motoru na alternativní paliva odlišuje proti původnímu benzinovému motoru i v dalších (více nebo méně významných) vlastnostech. Odchylky jsou způsobeny rozdílnými vlastnostmi jednotlivých paliv a ovlivňuje je i seřízení motoru. Původní elektronická řídící jednotka optimalizuje seřízení motoru pro benzinový provoz, zatímco připojená řídící jednotka pro alternativní palivový systém provádí regulaci bohatosti směsi a předstihu zážehu pouze nastavením korekcí v připojené řídící jednotce plynového systému, kterými se v určitém rozsahu upravuje seřízení podle dat z programu řídící jednotky pro benzinový provoz. Následující odstavce, grafy a obrázky vysvětlují podrobněji změny některých vlastností původního benzinového motoru při jeho provozu na alternativní paliva.
Výkonové a provozní parametry motoru při provozu na NG Porovnání provozních vlastností motoru při provozu na BA a NG ukazují grafické průběhy nejvýznamnějších veličin na obr.1 až 6. Zkušební motor byl pro provoz na NG vybaven palivovým systémem BRC-M.T.M. pro vícebodový vefuk NG do sacího potrubí motoru. pe [MPa] pe-ba pe-ng předstih-ba předstih-ng 11 4 9 8 7 6 5 2 25 3 35 4 45 5 55 35 3 25 2 15 předstih zážehu [ KH] Obr.1: Průběhy hodnot středního užitečného tlaku p e motoru v režimech vnější otáčkové charakteristiky při provozu motoru na BA a na NG. Motor při provozu na NG je seřízen pro větší předstih zážehu (při provozu na NG není riziko klepání) z hlediska zvýšení hodnoty p e a snížení teplot výfukových plynů. tvýf [ C] tvýf-ba tvýf-ng lambda-ba lambda-ng 95 1 9,95 85,9 8,85 75,8 7,75 2 25 3 35 4 45 5 55 Obr.2: Seřízení bohatosti směsi motoru pro provoz na NG v režimech vnější otáčkové charakteristiky se od seřízení benzinového motoru odchyluje blíže k hodnotám λ = 1. Z hlediska výkonových parametrů by bylo výhodné udržovat hodnotu λ = 1 až do cca n = 45 1/min a teprve až v nejvyšších otáčkách směs mírně obohacovat z důvodu udržení teploty výfukových plynů pod t výf 87 C. Nastavení korekcí v připojené řídící jednotce plynového systému ale neumožňuje větší odchylky od regulačních map v řídící jednotce benzinového motoru. lambda
pi [bar], VARpi, VARpmax [%] 12 8 6 4 2 VARpi-BA VARpi-CNG VARpmax-BA VARpmax-CNG pmax-ba pmax-cng 65 6 55 5 45 4 pmax [bar] 2 25 3 35 4 45 5 55 Obr.3: Parametry pracovního oběhu motoru ze statistického vyhodnocení indikátorových diagramů. Vzhledem k vyššímu předstihu zážehu motoru na NG jsou při provozu na NG vyšší hodnoty p max (střední hodnoty ze souboru 15 cyklů), provoz na NG se potom vyznačuje nižší variabilitou maximálního tlaku ve válci VARp max a menší je rovněž variabilita středního indikovaného tlaku VARpi pracovního oběhu při provozu na NG. 35 1,,9 BA-2 NG-2 BA-5 NG-5 BA-3 NG-3 podíl vyhořelé náplně [-],8,7,6,5,4,3,2,1, 5 15 2 25 3 35 4 45 5 55 6 65 7 úhel pootočení KH od zážehu [ o KH] Obr.4: Průběhy vyhořívání náplně ve válci motoru podle termodynamické analýzy indikátorových diagramů ukazují pomalejší rychlost hoření směsi NG v druhé fázi hoření. Je to pravděpodobně důsledek výrazně vyšší aktivační energie plynných paliv (zejména NG) proti benzinu a potvrzením oprávněnosti vyšších hodnot předstihu zážehu u motoru na NG.
7 6 5 4 1/min - BA pmax - min / stř / max pi =,87 / 11,85 / 12,41 bar pmax = 39,42 / 54,11 / 63,93 bar ALpmax = 26, / 22, / 16, KH 4 3 2-4 -3-2 - 2 3 4 5 6 7 8 9 1 12-7 6 5 4 1/min - NG pmax - min / stř / max pi = 8,89 / 9,23 / 9,47 bar pmax = 43,79 / 55,89 / 65,35 bar ALpmax = 16, /, / 7, KH 4 3 2-4 -3-2 - 2 3 4 5 6 7 8 9 1 12 Obr.5: Porovnání průběhů tlaku ve válci motoru ve % zatížení motoru při provozu na BA a NG v režimu n = 4 1/min. Zakreslené průběhy jsou vybrané ze změřeného souboru 15 po sobě následujících cyklů, výběr cyklů představuje cykly s nejvyšší, nejnižší a střední hodnotou p max. Uvedené číselné hodnoty vybraných parametrů pracovního oběhu se týkají zakreslených průběhů tlaku. Průběhy ukazují celkově vyšší hodnoty tlaků ve válci a z termodynamického hlediska výhodnější polohu p max k HÚ při provozu na NG (výraznější zvyšování tlaku před HÚ při provozu na NG se projevuje více na mechanickém zatížení klikového mechanizmu než na snižování práce oběhu). Parametry pracovních oběhů s nejvyšší a nejnižší hodnotou p max rovněž dokládají, že při provozu na NG je menší mezicyklová variabilita.
ZCH, n = 3 1/min: emise před katalyzátorem THC-BA NOx-BA NOx-CNG THC-CNG CO2-BA CO-BA CO-CNG CO2-CNG O2-BA O2-CNG 35 15, 3 12,9 NOx [ppm], THC [ppm] 25 2 15,7 8,6 6,4 4,3 CO2 [%], CO [%], O2 [%] 5 2,1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 11 p e [bar] Obr.6: Koncentrace sledovaných složek ve výfukových plynech motoru při provozu na BA a NG vykazují největší odchylky v případě CO 2 (důsledek menšího hmotnostního podílu C v NG proti BA). Koncentrace plynných škodlivin (CO, HC a NO x ) jsou ve výfukových plynech motoru provozovaného na BA i NG prakticky stejné (koncentrace HC je uváděna po přepočtu na fiktivní jednouhlíkovou molekulu), větší koncentrace CO jsou při provozu na BA v režimech obohacování směsi (cca od 5% zatížení)., O emisních vlastnostech vozidlového motoru rozhoduje účinnost katalyzátoru, která je ovlivněna seřízením bohatosti spalované směsi (zejména u složky CO, kde se její koncentrace za katalyzátorem při spalování bohatých směsí dokonce zvyšuje vlivem nedokonalé oxidace HC v katalyzátoru) a teplotou katalyzátoru. Při provozu motoru na BA jsou ve výfukových plynech při vyšších zatíženích větší zbytkové koncentrace CO, při provozu motoru na NG je nižší účinnost katalyzátoru pro nespálené uhlovodíky HC ovlivněna potřebnou vyšší teplotou pro spalování metanu a ve výfukových plynech je proto větší zbytková koncentrace HC. I přes zvýšené zbytkové koncentrace plynných škodlivin ve výfukových plynech motor provozovaný na BA a NG v příslušném emisním testu EHK bez problémů vyhoví. Zemní plyn je v každém případě velmi kvalitní alternativou ke klasickému automobilovému benzinu.
Výkonové a provozní parametry motoru při provozu na LPG Porovnání provozních vlastností motoru při provozu na BA a LPG ukazují grafické průběhy nejvýznamnějších veličin na obr.7 až 11. Zkušební motor byl pro provoz na LPG zpočátku vybaven palivovým systémem Landi-Renzo-Omegas pro vícebodový vefuk LPG do sacího potrubí motoru, později byl na motor nainstalován palivový systém Vialle pro vícebodový vstřik kapalného LPG do sacího potrubí. 12 BA-orig BA-upr LPGvstř LPGvstř1 LPGvef1 LPGvef 11 pe [bar] 9 8 7 6 2 25 3 35 4 45 5 Obr.7: Průběhy hodnot středního efektivního tlaku pracovního oběhu motoru při provozu na BA a na LPG s tvořením směsi vefukem odpařeného LPG nebo vstřikem kapalného LPG do sacího potrubí motoru. V obou případech provozu motoru na LPG byl ověřován vliv regulace bohatosti směsi na výkonové a provozní parametry motoru tak, že bohatost směsi byla regulována buď podle programu v řídící jednotce pro benzinový provoz (tj. s obohacováním směsi) nebo bylo v řídící jednotce obohacování směsi pomocí speciálního SW vstupu odpojeno a motor pracoval ve všech režimech se směsí stechiometrického složení (tj s regulací na λ = 1 v uzavřené smyčce podle λ sondy). Při tvoření směsi vefukem odpařeného LPG do sacího potrubí je v případě obohacování směsi pokles výkonových parametrů o cca % (u NG je snížení o cca 15%), pokud se pracuje se směsí λ = 1, sníží se výkon motoru proti provozu na benzin o cca 7%. Tvořením směsi vstřikováním kapalného LPG do sacího potrubí se výkonové parametry proti provozu motoru na BA prakticky nezmění. Zástavbou vstřikovačů LPG se ale poněkud zmenší průřez v sacím potrubí a v důsledku toho dojde ke snížení výkonu motoru při provozu na BA o cca 3%. Při provozu motoru na LPG se
odpařováním vstřikovaného LPG snižuje teplota v sacím traktu, tím se zvyšuje hmotnostní naplnění válců a výkonové parametry motoru při provozu na LPG se proti provozu motoru na BA mohou dokonce mírně zvýšit. Varianta tvoření směsi vstřikováním kapalného LPG se ukazuje jako perspektivní pro alternativní provoz zážehového motoru na LPG i z důvodu velmi nízké citlivosti palivového systému na nekvalitní LPG (především při vyšším obsahu těžko odpařitelných složek, které v palivovém systému pro LPG s tvořením směsi odpařeným LPG působí agresivně na pryžové díly v odpařovači a regulátoru tlaku plynu). Vzhledem k zatím malému rozšíření systémů LPG pro tvoření směsi vstřikováním kapalného LPG byl na zkušebním motoru proveden podrobnější výzkum vlastností motoru s tímto palivovým systémem: obecnější výsledky jsou v následujících grafech a obrázcích. teplota výfuk.plynů tvýf [ C] BAorig LPGinj LPGinj-1 95 9 85 8 75 7 2 25 3 35 4 45 5 Obr.8: Průběhy teplot výfukových plynů ve vnější otáčkové charakteristice zkušebního motoru při provozu na BA-95 s originální EŘJ pro regulaci bohatosti směsi a se vstřikováním kapalného LPG s různým seřízením bohatosti spalované směsi. Při provozu na LPG s řízením bohatosti směsi podle dat v EŘJ (pro BA-95) jsou teploty výfukových plynů v celém otáčkovém rozsahu o 8-9 C nižší. Provoz motoru na LPG se směsí λ = 1 dává v celém průběhu otáček nejnižší hodnoty p e (viz obr.7) a od n = 3 1/min má ze všech měřených variant nejvyšší teploty výfukových plynů. Výsledek prokazuje významný vliv ochlazování nasávané směsi intenzivním odpařováním kapalného LPG po vstřiku do sacího potrubí na větší hmotnostní naplnění válce vzduchem (a tedy zvýšení hodnoty p e ). Přebytek paliva při spalování obohacené potom směsi působí i na snížení teploty výfukových plynů. Výsledek ukazuje na možnost modifikování dat pro regulaci bohatosti spalované směsi (LPG-vzduch). Pomocí korekcí v EŘJ pro regulaci bohatosti směsi je možné dosáhnout proti variantě λ =1 významného snížení teploty výfukových plynů a zvýšení hodnot p e prakticky na úroveň hodnot při provozu motoru na BA. Změnou dat v programu EŘJ pro obohacování směsi dojde i k významného snížení spotřeby.
6 sání-lpg kanál-lpg sání BA kanál-ba 55 5 teplota [ C] 45 4 35 3 25 2 1 3 5 7 9 pe [bar] Obr.9: Teploty nasávaného vzduchu (měření v sacím filtru) a teploty v sacím kanálu (měření mikrotermočlánkem před sacím ventilem) v zatěžovací charakteristice motoru při n = 475 1/min při provozu na BA a na LPG. V režimech nízkého zatížení je relativně vysoká teplota v sacím kanálu důsledkem zpětného toku spalin z válce do sacího kanálu po začátku otvírání sacího ventilu. Při provozu motoru na LPG se teplota v sacím kanálu výrazněji odchyluje od teploty při provozu na BA účinkem intenzivního odpařování vstřikovaného LPG. VARpi, VARpmax [%] 9 8 7 6 5 4 3 2 1 VARpi/BA VARpi/LPG VARpmax/BA VARpmax/LPG pmax(ba,lpg) 2 4 6 8 12 pe [bar] 5 45 4 35 3 25 2 15 5 pmax [bar] Obr.: Při provozu motoru na BA-95 i na LPG mají p max v režimech zatěžovací charakteristiky při n = 3 1/min prakticky stejnou velikost, parametry mezicyklové variability pro BA-95 a LPG jsou z hlediska p i rovněž srovnatelné, poněkud nižší mezicyklovou variabilitu pro p max vykazuje provoz motoru na LPG (statistické zpracování souborů 15 po sobě následujících cyklů).
9 8 HC-BA HC-LPG provozní režim 9 8 koncentrace THC [ppm] 7 6 5 4 3 2 7 6 5 4 3 2 1 provozní režim 2 4 6 8 12 čas [s] Obr.11: Při provozu motoru na LPG se náhodně objevovalo viditelné škubnutí, které ale nebylo na záznamu měření M t zaznamenáno. Analyzátor nespálených HC ve výfukových plynech přitom vykazoval náhodné píky vysokých koncentrací HC, při provozu motoru na BA byly koncentrace HC prakticky ustálené. Průběhy na obr. ukazují měřené koncentrace HC v režimech vnější otáčkové charakteristiky (sběr dat z analyzátoru je s intervalem 5s). Možná příčina takového chování motoru při provozu na LPG byla hledána ve způsobu a podmínkách tvoření směsi po vstřikování LPG. Výsledek provedeného šetření ukazují následující obrázky. Obr.12: Pohled do sacího potrubí na koncovou část výtokové trubičky ze vstřikovače LPG: vlevo je konec trubičky u zastaveného motoru, vpravo je výtoková trubička s námrazou po krátké době provozu motoru. Námraza se postupně zvětšovala a po kouscích se oddělovala a byla zanášena vzduchem do válce motoru.
Obr.13: Pohled do sacího kanálu v hlavě válců ukazuje unášené kousky uvolněné námrazy z konce výtokové trubičky (vlevo). Na obr. vpravo jsou trajektorie malých ledových částic v nasávaném vzduchu (zřejmě ledové krystalky vytvořené ze zkondenzované vody obsažené v nasávaném vzduchu). Zkušební motor se vstřikováním kapalného LPG vykazoval až na výše uvedené problémy velmi kvalitní výkonové a provozní parametry. Logicky byl proto výzkumný program na zkušebním motoru zakončen optimalizací regulace bohatosti směsi pro režimy vnější otáčkové charakteristiky výsledek ukazují grafy na obr. 14 a 15. součinitel přebytku vzduchu lambda (L) [-] 1,98,96,94,92,9,88,86 BA-95:originál LPG:modif.reg.L 2 25 3 35 4 45 5 Obr.14: Návrhový průběh regulační křivky pro řízení bohatosti směsi LPG-vzduch na vnější otáčkové charakteristice zkušebního motoru v porovnání s originální regulační křivkou pro řízení bohatosti směsi při provozu motoru na BA. Snížené obohacení směsi lze ale aplikovat pouze při provozu motoru na LPG, provoz motoru na BA musí respektovat původní data pro obohacování směsi (snížené obohacení při provozu na BA vede k poklesu středního indikovaného tlaku oběhu a zvýšení teploty výfukových plynů.
pe-ba pe-lpgmodif-l tvýf-ba tvýf-lpgmodif-l 11 9 86 pe [bar] 9 8 82 78 tvýf [ o C] 7 74 6 7 2 25 3 35 4 45 5 Obr.15: Regulace bohatosti při provozu motoru na LPG zajišťuje t výf 86 C, výkonové parametry motoru při provozu na LPG jsou prakticky shodné s výkonem původního motoru na BA a snížené obohacení směsi současně snižuje měrnou spotřebu motoru při provozu na LPG. Zkušební motor s tvořením směsi vícebodovým vstřikováním kapalného LPG do sacího potrubí (palivový systém Vialle) vykazuje ze všech vyšetřovaných variant motoru při provozu na LPG nejvýhodnější vlastnosti (výkonové, emisní, účinnostní, teplotní). Měření prokázala, že účinnost katalyzátoru v režimech spalování stechiometrických směsí je při provozu na BA i na LPG relativně vysoká, v režimech spalování bohatých směsí (při vysokých zatíženích motoru) je účinnost katalyzátoru na HC nižší při provozu na LPG než při provozu na BA. Emise HC při provozu na LPG jsou však srovnatelné s emisemi HC při provozu na BA (při provozu na LPG jsou koncentrace HC ve výfukových plynech na vstupu do katalyzátoru nižší proti provozu na BA a proto jsou výsledné emise HC při provozu na LPG a BA srovnatelné). Emise NO x jsou při provozu motoru na LPG i BA srovnatelné. Z hlediska spotřeby paliva ale i výfukových emisí je žádoucí změna regulace bohatosti směsi při provozu motoru na LPG: řešení úprav v EŘJ motoru musí při provozu na BA zajistit regulaci bohatosti směsi podle originálního programu pro BA. Závěr Konverze vozidlového benzinového motoru pro provoz s přepínáním na alternativní paliva NG nebo LPG musí být provedena s komplexní optimalizací seřízení motoru pro provoz na alternativní palivo. Publikace byla vytvořena v rámci projektu Výzkumného centra Josefa Božka (č. 1M684772), podporovaného MŠMT ČR.
SPARK-IGNITION VEHICLE ENGINE PROPERTIES IN OPERATION ON AN ALTERNATIVE GASEOUS FUELS CNG AND LPG Prof. Ing. Stanislav Beroun, CSc., Ing. Josef Blažek, Ing. Radek Holubec, Ing. Jan Mareš, Ing. Marcel Vencl Technical University of Liberec Czech republic Summary The paper summarizes the results of several research projects on modern sparkignition vehicle engines converted to operate either on gasoline (petrol) or on an alternative gaseous fuel (CNG or LPG). The operation on gaseous fuels was accomplished using multi-point sequential fuel injection into the intake manifold and electronic control of air-fuel ratio and ignition timing, similar to the original gasoline engine system. The focus of the projects was performance and emissions characteristics of the engine and working cycle parameters for both gasoline and gaseous fuels. The measurements were performed on an engine dynamometer with an automated data acquisition system. Instrumentation and computational resources for high-pressure indication allowed detailed study of the cylinder charge combustion dynamics and of the variability in combustion chamber pressures among individual cycles. Digital visual technology was used for studies of air-fuel mixture formation in the intake manifold during operation on liquid LPG.